Beschreibung
Verfahren zum Bearbeiten von Mehrschichtsubstraten
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bearbeiten von Mehrschichtsubstraten, wobei die Bearbeitung mittels Lichtpulsen aus Lasern vorgenommen wird.
Bei der Herstellung von verpackten Bauelementen wird ver- stärkt auf Mehrlagenverdrahtung in entsprechend vorbereiteten Mehrschichtsubstraten zurückgegriffen. Dabei sind mehrere metallische und damit leitende Schichten in einer Sandwich- Struktur mit dielektrischen Schichten, beispielsweise Kunststoffen oder keramischen Materialien, zusammengefügt und die strukturierten metallischen Schichten werden über durch die dielektrischen Schichten gebohrte Löcher miteinander elektrisch verbunden. Zum Bohren der Löcher durch die dielektrischen Schichten und/oder die metallischen Schichten werden im allgemeinen Laser eingesetzt.
Aus US 5 593 606 ist beispielsweise ein Verfahren zum Bearbeiten eines Mehrschichtsubstrats mittels eines Lasers bekannt, bei dem mittels eines Nicht-Excimerlasers bei einer Wiederholrate größer als 1 kHz Hochleistungs-Ultraviolett- Laserpulse erzeugt werden, die eine Wellenlänge kleiner als 400 nm, eine Pulsbreite kleiner als 100 ns und eine durchschnittliche Ausgangsleistung größer als 100 mW, gemessen über die Fleckweite, aufweisen, wobei die Laserausgangspulse so auf das Substrat gerichtet werden, daß die Laserausgangs- pulse mindestens zwei Schichten innerhalb der Fleckweite des Pulses abtragen.
Bei diesem Verfahren können negative thermische Effekte auftreten, zum Beispiel die Beschädigung von metallischen Boden- schichten in Sacklöchern, die Abtrennung der dielektrischen von den metallischen Schichten oder umgekehrt sowie eine Verschlechterung der Eigenschaften des dielektrischen Materials.
Durch natürliche Begrenzungen der Laserausgangsenergie und der Pulsrate ist bei diesem Verfahren außerdem die Bearbeitungsgeschwindigkeit beschränkt.
Aus US 4 789 770 ist ein Verfahren bekannt, bei dem mittels zweiter unterschiedlicher Laser, beispielsweise eines C02- und eines Nd:YAG-Laser Löcher in Mehrschichtsubstrate gebohrt werden. Dabei wird mittels des NdrYAG-Lasers die metallische Schicht bearbeitet und mittels des C02-Lasers das dielektri- sehe Material . Eine solche Anordnung, die auf der Grundlage zweier unterschiedlicher Laserprinzipien arbeitet, ist entsprechend aufwendig gebaut und erfordert für die beiden Lasertypen unterschiedliche Justier- und Abbildungsvorrichtungen. Außerdem führt die Nutzung eines C02-Lasers häufig zu unerwünschten Ablagerungen auf dem Mehrschichtsubstrat oder auch zu thermischen Schäden des Substratmaterials.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Bearbeiten von Mehrschichtsubstraten anzugeben, welches eine auf die einzelnen Schichten des Mehrschichtsubstrates besser abgestimmte Bearbeitung bei einer höheren Bearbeitungsgeschwindigkeit ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dabei werden mittels eines ersten Festkörperlasers erste Lichtpulse mit einer Wiederholrate größer als 10 kHz und mit einer Pulsdauer kleiner als 30 ns erzeugt und diese ersten Lichtpulse über eine optische Abbildungseinrichtung auf einen Ort auf der Oberfläche des Mehrschichtsubstrats abgebildet. Mittels eines zweiten Festkörperlasers werden zweite Lichtpulse mit einer Wiederholrate größer als 10 kHz und mit einer Pulsdauer kleiner -als 30 ns erzeugt und diese zweiten Licht- pulse ebenfalls über eine optische Abbildungseinrichtung auf den gleichen Ort auf der Oberfläche des Mehrschichtsubstrats abgebildet. Das Mehrschichtsubstrat wird sowohl durch die ab-
gebildeten ersten und die abgebildeten zweiten Lichtpulse be¬ arbeitet. Die Verwendung zweier Festkörperlaser ermöglicht den einfachen Aufbau für eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, und durch die Verwendung zweier Laser lassen sich höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten durch eine höhere Pulsfrequenz bzw. eine höhere Energie pro Puls erzeugen.
Bei der Verwendung von Nd-basierten Lasern, beispielsweise Neodym-Yttrium-Vanadat (Nd:YV04, bzw. Neodym-YAG-Lasern) las- sen sich durch bekannte Verfahren zur Frequenzverdoppelung, Frequenzverdreifachung bzw. Frequenzvervierfachung in einfacher Weise Wellenlängen von 1064 nm, 532 nm, 355 nm und 266 nm erzeugen, die für das Verfahren gemäß Anspruch 2 geeignet sind.
In vorteilhafter Weise werden gemäß Patentanspruch 3 die ersten und die zweiten Lichtpulse im Wechsel auf das Mehrschichtsubstrat abgebildet, damit eine höhere Pulsrate und damit eine höhere Bearbeitungsgeschwindigkeit erzielt wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens gemäß Anspruch 4 werden die ersten und die zweiten Lichtpulse jeweils gleichzeitig auf das Mehrschichtsubstrat abgebildet, um eine höhere Leistung pro Zeiteinheit und damit einen schnelleren Abtrag des Materials zu erzielen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 5 wird eine erste Schicht des Mehschichtsubtrats mit den ersten Lichtpulsen und eine zweite Schicht des Mehr- schichtsubstrats mit den zweiten Lichtpulsen bearbeitet. Dadurch lassen sich die jeweils für die Bearbeitung der einzelnen Schichten des Mehrschichtsubstrats optimierten Laserparameter einstellen.
Für die Erhöhung der Pulsfrequenz bzw. die Erhöhung der Ausgangsleistung ist es gemäß Anspruch 6 vorteilhaft, daß gemäß
Anspruch 7 die Wellenlängen der ersten und der zweiten Licht¬ pulse im wesentlichen gleich gewählt werden.
Zur Bearbeitung von unterschiedlichen Schichten des Mehr- schichtsubstrates ist es vorteilhaft, daß die Wellenlängen gemäß Anspruch 7 der ersten und der zweiten Lichtpulse unterschiedlich gewählt werden.
Besonders geeignet ist das Verfahren gemäß Anspruch 8 zum Bohren von Löchern in Mehrschichtsubstraten.
Nach Anspruch 9 ist es besonders vorteilhaft zum Bearbeitungen von Schichten aus Kupfer als metallische Schicht eine Wiederholrate 10 kHz und eine Wellenlänge von 532 nm zu wäh- len.
Besonders geeignet zum Bearbeiten von Schichten aus dielektrischem und/oder organischem Material ist gemäß Anspruch 10 eine Wiederholrate größer als 10 kHz und eine Wellenlänge von 355 nm und/oder 266 nm.
Besonders einfach läßt sich das Verfahren gemäß Anspruch 11 dadurch durchführen, daß der erste und der zweite Festkörperlaser in einem Mehrfach-Resonator-Festkörperlaser integriert werden, wobei die ersten respektive zweiten Lichtpulse über jeweils einen ersten und einen zweiten Strahlaufweiter aufgeweitet werden, und über einen gemeinsamen teildurchlässigen Spiegel einer gemeinsamen Ablenkeinheit zugeführt werden. Dadurch ist sichergestellt, daß die jeweils erzeugten Lichtpul- se auf den gleichen Ort des Substrats abgebildet werden.
Die Erfindung wird näher erläutert anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele.
Dabei zeigen
Figur 1 einen schematischen Aufbau zweier Festkörperlaser zum Erzeugen der ersten und zweiten Lichtpulse,
Figur 2 eine schematische Darstellung zur Erzeugung einer Pulsfolge mit einer erhöhten Pulsfrequenz,
Figur 3 eine schematische Darstellung zur Erzeugung einer er¬ höhten Pulsfrequenz bei unterschiedlichen Pulsenergien, Figur 4 eine schematische Darstellung zum Mischen zweier Pul¬ se mit unterschiedlicher Pulsfrequenz und unterschiedlicher Anzahl von Pulsen,
Figur 5 eine schematische Darstellung einer erzeugten Pulsfolge von zwei Pulsen unterschiedlicher Frequenzen, Figur 6A eine schematische Darstellung zur Erzeugung eines Loches in einem Mehrschichtsubstrat mit zwei unterschiedlichen Pulsfolgen und
Figur 7 einen Querschnitt durch ein Substrat, welches mit unterschiedlichen Pulsfolgen bearbeitet wird.
In Figur 1 ist dargestellt, wie ein Substrat 1 mit Lichtpulsen aus einem ersten Festkörper-Laser 2, die über einen ersten Strahlaufweiter 3 aufgeweitet und über einen teildurchlässigen Spiegel 4 (oder einen Polarisationskoppler bei Nut- zung zweier zueinander orthogonal polarisierter Lichtstrahlen) sowie eine Ablenkeinrichtung 5 auf der Oberfläche des Substrats abgelenkt werden, bearbeitet wird. Darüber hinaus ist ein zweiter Festkörperlaser 6 vorgesehen, der zweite Lichtpulse erzeugt, die über einen zweiten Strahlaufweiter 7 ebenfalls über den teildurchlässigen Spiegel 4 und über die Ablenkeinrichtung 5 auf der Oberfläche des Substrats 1 bewegt werden. Das Substrat 1 weist dabei schematisch eine erste Schicht 8, beispielsweise aus einem Metall wie Kupfer, und eine zweite Schicht 9, beispielsweise aus einem organischen Material auf.
Als Festkörperlaser eignen sich dabei beispielsweise Neodym- Yttrium-Aluminium-Granat- (Nd:YAG), Neodym-Yttrium-Vanadat (Nd:YV04)-, Erbium-dotierte Glas- oder Glaslaser.
In Figur 2 ist schematisch dargestellt, wie sich die ersten Lichtpulse 10 und die zweiten Lichtpulse 11 jeweils zu einer
ersten Pulsfolge 12 und zu einer zweiten Pulsfolge 13 zusam¬ mensetzen. Wird nun die Frequenz der beiden Pulsfolgen 12, 13 entsprechend angepaßt, entsteht eine erste gemeinsame Pulsfolge 14, die die doppelte Frequenz gegenüber der ersten Pulsfolge 12 bzw. der zweiten Pulsfolge 13 aufweist. Durch diese erhöhte Pulsfrequenz lassen sich höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten beim Bearbeiten von Substraten erreichen.
In Figur 3 ist dargestellt, daß die erste Pulsfolge 12 auch mit einer dritten Pulsfolge 15 gemischt werden kann, wobei die Pulse der dritten Pulsfolge 15 eine unterschiedliche Pulsenergie im Vergleich zur ersten Pulsfolge 12 aufweisen. Die daraus resultierende zweite gemeinsame Pulsfolge 16 weist dann abwechselnd Pulse hoher und niedriger Energie auf. Da- durch ergibt sich eine höhere Flexibilität der Bearbeitung von Mehrschichtsubstraten dadurch, daß nach einem Puls höherer Energie beispielsweise ein Puls niedrigerer Energie auf das Substrat abgebildet wird, um durch den Puls höherer Energie erzeugte Ablagerungen zu entfernen.
Wie in Figur 4 dargestellt ist, läßt sich die erste Pulsfolge 12 auch mit einer vierten Pulsfolge 17 zu einer dritten gemeinsamen Pulsfolge 18 zusammensetzen, wenn die vierte Pulsfolge 17 eine unterschiedliche Pulsenergie und unterschiedli- ehe Pulsfolgeraten aufweist. Die vierte Pulsfolge 17 weist hierbei beispielhaft drei Pulse innerhalb kurzer Zeit auf, die sich nach einer längeren Zeit wiederholen.
In Figur 5 ist exemplarisch dargestellt, daß ebenfalls eine fünfte Pulsfolge 19 mit der ersten Pulsfolge 12 gemischt werden kann, wenn die beiden Pulsfolgen unterschiedliche Wellenlängen aufweisen. Das Bohren eines Loches in einem Mehrschichtsubstrat erfolgt dann beispielsweise wie in Figur 6 dargestellt. Dabei wird zunächst mittels zweier Pulse einer sechsten Pulsfolge 21 ein erstes Loch 22 gebohrt, anschließend wird mit einer siebten Pulsfolge 23 geringerer Energie das zunächst gebohrte erste Loch in seinen Randbereichen ver-
größert, wodurch beispielsweise die Oberflächenbeschaffenheit des Loches verbessert wird. Daraus ergibt sich ein Loch 24, wie es in Figur 6B dargestellt ist.
Unter dem Begriff Bearbeitung von Mehrschichtsubstraten sind neben dem Bohren von Löchern auch weitere Bearbeitungsmöglichkeiten wie Löten, Schmelzen oder Markieren zu verstehen.
In Figur 7 ist schematisch dargestellt, wie ein Mehr- schichtsubstrat 1 (im Querschnitt dargestellt), durch die verschiedenen Prozeßschritte verändert wird. Das Substrat 1 weist dabei eine obere Metallschicht 30, eine dielektrische beispielsweise organische Schicht 31 und eine in dieser vergrabene Metallschicht 32 auf. In Figur 7B ist dargestellt, wie in der oberen Metallschicht 30 nach dem ersten Puls des ersten Festkörperlasers 2 ein Sackloch erzeugt wird.
Wie in Figur 7C dargestellt ist, wird nach dem zweiten Puls des ersten Festkörperlasers 2 die dielektrische Schicht ge- bohrt. Zum Erzeugen eines Sackloches ist, wie in Figur 7D dargestellt, anschließend mit sechs Pulsen des zweiten Festkörperlasers das erzeugte Loch bis auf die vergrabene Metallschicht 32 weitergebohrt worden. Durch die geringere Energie der zweiten Pulsfolge des zweiten Festkörperlasers 6 stoppt die Bohrung auf der vergrabenen Metallschicht 32 und ein vorgegebenes Sackloch ist erzeugt worden.